JP2012054670A - Speaker array system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数のスピーカを配列したスピーカアレーによって、特定の方向に高い指向性で音波を放射することができるスピーカアレーシステムに関する。 The present invention relates to a speaker array system that can emit sound waves with high directivity in a specific direction by a speaker array in which a plurality of speakers are arranged.
２次元ディジタルフィルタを用いたスピーカアレーシステムの基本的な回路システムは図１０に示す通りで、まず、音源ソース１がフィルタ部（ＬＰＦ）２を介して、ＡＤＣ部３でディジタル信号に変換され、この後、２次元ディジタルフィルタ２４にて、スピーカアレー８から指向性音響ビームが放出されるための演算処理が行われる。演算後、ＤＡＣ部５でアナログ信号に変換され、その出力信号はフィルタ部６を介して、アンプ部７で所定の電力増幅がなされ、スピーカアレー部８から指向性音響ビームとして放射されるものである。
このスピーカアレーシステムは、高い指向性を有することから、横断歩道を渡る人への案内放送、駅のホームでの通過列車などの案内放送、駐車場出口などでの車注意の案内放送、エスカレータの乗降注意の案内放送、展示場などでの展示物の説明放送、限定された空間での音楽・ＴＶ視聴、銀行ＡＴＭ、券売機、自動販売機等の案内放送、追尾する様に違反者に警告音を発生させるパトカー、臨場感溢れるアミューズメント機器等への応用が考えられ、実用化が望まれているものである。
このようなスピーカアレーシステムとして、例えば、高音質のサラウンド音場を生成することを目的としたスピーカアレーシステムが提案されている（特許文献１）。
A basic circuit system of a speaker array system using a two-dimensional digital filter is as shown in FIG. 10. First, a sound source 1 is converted into a digital signal by an ADC unit 3 through a filter unit (LPF) 2. Thereafter, the two-dimensional digital filter 24 performs arithmetic processing for emitting a directional acoustic beam from the speaker array 8. After the calculation, the signal is converted into an analog signal by the DAC unit 5, and the output signal is amplified by the amplifier unit 7 through the filter unit 6 and radiated from the speaker array unit 8 as a directional acoustic beam. is there.
Since this speaker array system has high directivity, it will broadcast guidance to people crossing the pedestrian crossing, broadcast guidance for passing trains at the platform of the station, guidance broadcast for car cautions at the parking lot exit, etc. Information broadcasts on boarding / departure warnings, explanation broadcasts of exhibits at exhibition halls, music / TV viewing in limited spaces, bank ATMs, ticket vending machines, vending machines, etc. It can be applied to police cars that generate sound, amusement equipment with a sense of reality, and is expected to be put to practical use.
As such a speaker array system, for example, a speaker array system for generating a high-quality surround sound field has been proposed (Patent Document 1).
図１１は、説明の便宜上、Ｎ個の１次元ディジタルフィルタＨ１（Ｚ１）〜ＨＮ（Ｚ１）からなる２次元ディジタルフィルタ２４とそれに対応するスピーカアレー部８のみを、図１０に示す回路システムから取り出したものである。図１１に示すスピーカアレーシステムにおいては、音響ビームに指向性を付与するスピーカアレーシステム２００のスピーカアレー８は、スピーカ１０（１）〜スピーカ１０（Ｎ）の間隔Ｄ（１）〜Ｄ（Ｎ−１）が全て等しいものとして構成されている。
ここで、各１次元ディジタルフィルタＨ１（Ｚ１）〜ＨＮ（Ｚ１）は、図１２に示すようになっており、同図はＮ個のうちのｎ番目の１次元ディジタルフィルタＨｎ（Ｚ１）を示している。同図において、Ｚ１ −１は、Ｚ１＝ｅｘｐ（ｊω１Ｔ）なる関係があり（ω１：時間角周波数、Ｔ：サンプリング間隔）、遅延回路の一要素を表している。
従って、ｎ番目の１次元ディジタルフィルタは次の様に示される。
このため、２次元ディジタルフィルタ２４は次の様に示される。
ここで、Ｚ２、Ｚ２＝ｅｘｐ（ｊω２Ｄ）なる関係があり（ω２：空間角周波数、Ｄ：スピーカユニット間隔）、図１１において、各スピーカと隣接スピーカとの位置の関係を表している。
空間周波数を離散的に評価したものである。
以上に示したスピーカアレーシステムの指向特性および周波数特性を変化させるための手段としては、２次元ディジタルフィルタ２４の時間周波数と空間周波数とによって表される２次元周波数平面での振幅特性と位相特性の設計、スピーカの数、間隔、およびアレー長Ｌが用いられていた。しかしながら、今までは、スピーカ間の間隔Ｄを全て均等にして検証を行ってきた。すなわち、スピーカ間隔を不均等にした場合に於ける指向特性および周波数特性の変化については未検証であった。
そこで、本発明は、スピーカアレーを構成するスピーカの間隔を改善することにより、スピーカアレーシステムの指向特性および周波数特性を向上させることを目的としている。
FIG. 11 shows only the two-dimensional digital filter 24 composed of N one-dimensional digital filters H 1 (Z 1 ) to H N (Z 1 ) and the speaker array unit 8 corresponding thereto for convenience of explanation. It is taken out from the circuit system. In the loudspeaker array system shown in FIG. 11, the loudspeaker array 8 of the loudspeaker array system 200 that imparts directivity to an acoustic beam has intervals D (1) to D (N−) between the loudspeakers 10 (1) to 10 (N). 1) are all equal.
Here, each of the one-dimensional digital filters H 1 (Z 1 ) to H N (Z 1 ) is as shown in FIG. 12, which shows the nth one-dimensional digital filter H n out of N. (Z 1 ) is shown. In the figure, Z 1 −1 has a relationship of Z 1 = exp (jω 1 T) (ω 1 : time angular frequency, T: sampling interval), and represents one element of the delay circuit.
Therefore, the nth one-dimensional digital filter is expressed as follows.
For this reason, the two-dimensional digital filter 24 is shown as follows.
Here, there is a relationship Z 2 , Z 2 = exp (jω 2 D) (ω 2 : spatial angular frequency, D: speaker unit interval), and in FIG. 11, the relationship between the position of each speaker and the adjacent speaker is represented. ing.
The spatial frequency is evaluated discretely.
As means for changing the directivity and frequency characteristics of the speaker array system described above, the amplitude characteristic and phase characteristic on the two-dimensional frequency plane represented by the time frequency and the spatial frequency of the two-dimensional digital filter 24 are used. The design, number of speakers, spacing, and array length L were used. Up to now, however, the verification has been performed with all the distances D between the speakers equal. That is, changes in directivity characteristics and frequency characteristics when the speaker intervals are uneven have not been verified.
Accordingly, an object of the present invention is to improve the directivity characteristics and frequency characteristics of the speaker array system by improving the interval between the speakers constituting the speaker array.
本発明の発明者は、スピーカアレーを構成するスピーカの配置とスピーカアレーシステムの指向特性および周波数特性との関係について検討した結果、スピーカアレーを構成するスピーカを部分的に不等間隔に配置することによりスピーカアレーシステムの指向特性および周波数特性が向上することを見いだして本発明に至ったものである。
請求項１の本発明のスピーカアレーシステムは、音源から入力された音響信号を複数のスピーカからなるスピーカアレーによって再生するスピーカアレーシステムであって、隣接する前記スピーカ間のスピーカ間隔のうち、末端スピーカとそれに隣接するスピーカ間の末端スピーカ間隔がそれ以外のスピーカ間隔よりも大きく、末端スピーカ間隔以外のスピーカ間隔が等しいことを特徴とする。
請求項２の本発明は、請求項１に記載のスピーカアレーシステムにおいて、音源から入力されたディジタル音響信号の指向特性を２次元ディジタルフィルタによって制御するものであって、前記２次元ディジタルフィルタが、仮想音源点Ｐを中心とする波面形状になるように、位相特性を設定するものであることを特徴とする。
請求項３の本発明は、請求項１または２に記載のスピーカアレーシステムにおいて、前記末端スピーカが低音域のみ増音量されているものであることを特徴とする。
The inventor of the present invention has examined the relationship between the arrangement of speakers constituting the speaker array and the directivity characteristics and frequency characteristics of the speaker array system. As a result, the speakers constituting the speaker array are partially arranged at unequal intervals. Thus, the present inventors have found that the directivity characteristics and frequency characteristics of the speaker array system are improved.
A speaker array system according to a first aspect of the present invention is a speaker array system that reproduces an acoustic signal input from a sound source by a speaker array including a plurality of speakers, and among the speaker intervals between adjacent speakers, a terminal speaker. And the adjacent speaker intervals are larger than the other speaker intervals, and the speaker intervals other than the end speaker intervals are equal.
According to a second aspect of the present invention, in the speaker array system according to the first aspect, a directivity characteristic of a digital acoustic signal input from a sound source is controlled by a two-dimensional digital filter, and the two-dimensional digital filter comprises: The phase characteristic is set so as to have a wavefront shape centered on the virtual sound source point P.
According to a third aspect of the present invention, in the speaker array system according to the first or second aspect, the volume of the end speaker is increased only in a low frequency range.
本発明のスピーカアレーシステムは、末端スピーカとそれに隣接するスピーカの間の末端スピーカ間隔がそれ以外のスピーカ間隔より大きくなるようにスピーカを配置することにより、帯域上端周波数および、音響ビームの指向特性、特に人の聴覚に大きく影響する４ｋＨｚ以下の低音域における指向特性を向上させることができる。 In the speaker array system of the present invention, by arranging the speakers so that the end speaker interval between the end speakers and the adjacent speakers is larger than the other speaker intervals, the band upper end frequency and the directivity characteristic of the acoustic beam, In particular, it is possible to improve directivity characteristics in a low frequency range of 4 kHz or less that greatly affects human hearing.
本発明のスピーカアレーシステムの実施形態について、以下、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るスピーカアレーシステムの構成の概略を示すブロック図である。同図に示すように、本実施形態のスピーカアレーシステム１００は、スピーカ１０（１）〜１０（Ｎ）からなるスピーカアレー１１および１次元ディジタルフィルタ２０（１）〜２０（Ｎ）からなる２次元ディジタルフィルタ４を備えている。２次元ディジタルフィルタ４は、両端から１つ内側のディジタルフィルタを備えていないという点において図１０、図１１に示した２次元ディジタルフィルタ２４と相違しているが、その他の構成は２次元ディジタルフィルタ２４と同じである。
なお、以下では、スピーカ１０（１）〜１０（Ｎ）を区別しないときには、単にスピーカ１０と記し、フィルタ２０（１）〜２０（Ｎ）を区別しないときには、単にフィルタ２０と記す。
Embodiments of a speaker array system of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing an outline of the configuration of a speaker array system according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, a speaker array system 100 according to the present embodiment is a two-dimensional speaker array 11 including speakers 10 (1) to 10 (N) and a one-dimensional digital filter 20 (1) to 20 (N). A digital filter 4 is provided. The two-dimensional digital filter 4 is different from the two-dimensional digital filter 24 shown in FIGS. 10 and 11 in that it does not include a digital filter one inside from both ends, but the other configuration is the two-dimensional digital filter. 24.
In the following, when the speakers 10 (1) to 10 (N) are not distinguished from each other, they are simply referred to as the speaker 10, and when the filters 20 (1) to 20 (N) are not distinguished from each other, they are simply referred to as the filter 20.
（２次元ディジタルフィルタ）
図１に示したスピーカアレー１１を構成するスピーカ１０は、それぞれ１次元ディジタルフィルタ２０に接続されている。そして、外部音源（図示せず）からアナログ信号として供給された音声信号が、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）によりディジタルデータに変換されて、１次元ディジタルフィルタ２０のそれぞれに供給される。
１次元ディジタルフィルタ２０は、スピーカアレーシステム１００に特徴的な構成要素である遅延要素Ｚ１ −１と各フィルタ係数ｈ（ｍ，ｎ）（図１２参照）とが予め設定されており、１次元ディジタルフィルタ２０のそれぞれが供給されたディジタルデータに応じたフィルタ処理を行って出力する。このようにして出力される１次元ディジタルフィルタ２０からのフィルタ処理後の出力は、Ｄ／Ａ変換器（図示せず）により音声信号へと変換されて、スピーカ１０に供給される。このように、本実施形態のスピーカアレーシステム１００では、スピーカアレー１１を構成するスピーカ１０に接続されている１次元ディジタルフィルタ２０のそれぞれに特徴的なフィルタ係数を予め設定しておくことにより、スピーカアレー１１に特徴的な振幅特性を付与することができる。
より具体的には、スピーカアレー１１と２次元ディジタルフィルタ４とによって構成されたスピーカアレーシステム１００に２次元ディジタルフィルタ４の振幅特性と位相特性とを設定することにより、図４に示すように、スピーカアレー１１の中心点０から、スピーカアレー１１の正面方向（スピーカアレー１１におけるスピーカ１０の配列方向と直交する方向）との角度φ０、距離ｒ０の点Ｐに音響ビームの焦点を仮想音源点Ｐとして形成することができる。
(Two-dimensional digital filter)
The speakers 10 constituting the speaker array 11 shown in FIG. 1 are each connected to a one-dimensional digital filter 20. An audio signal supplied as an analog signal from an external sound source (not shown) is converted into digital data by an A / D converter (not shown) and supplied to each of the one-dimensional digital filters 20.
The one-dimensional digital filter 20 has a delay element Z 1 −1 that is a characteristic component of the speaker array system 100 and each filter coefficient h (m, n) (see FIG. 12) set in advance. Each of the digital filters 20 performs a filtering process corresponding to the supplied digital data and outputs the result. The filtered output from the one-dimensional digital filter 20 output in this way is converted into an audio signal by a D / A converter (not shown) and supplied to the speaker 10. As described above, in the speaker array system 100 according to the present embodiment, a characteristic filter coefficient is set in advance for each of the one-dimensional digital filters 20 connected to the speakers 10 constituting the speaker array 11. A characteristic amplitude characteristic can be imparted to the array 11.
More specifically, by setting the amplitude characteristic and the phase characteristic of the two-dimensional digital filter 4 in the speaker array system 100 constituted by the speaker array 11 and the two-dimensional digital filter 4, as shown in FIG. A virtual sound source focuses the acoustic beam from a center point 0 of the speaker array 11 to a point P at an angle φ 0 and a distance r 0 from the front direction of the speaker array 11 (a direction orthogonal to the arrangement direction of the speakers 10 in the speaker array 11). It can be formed as a point P.
（振幅特性の設定）
図２に示すような等間隔Ｄで直線配置のスピーカアレーから、角度φで放射される音響波のスペクトルは、２次元周波数平面では下記の式で表される直線上に分布する。
ただし、上記の式中ｆ１は時間周波数を示しており、ｆ２は空間周波数を示している。信号の時間サンプリング間隔をＴ（秒）とし、ｆ１とｆ２とをそれぞれ、１／Ｔと１／Ｄで規格化すると上記の式は、下記の式に書き直される。
ビーム中心をφ＝φ０、ビーム広がりをφ＝φＳ＋〜φＳ−とする音響ビームを形成するための２次元ディジタルフィルタ４の目標振幅特性として、図３に示すようなくさび形過渡域の特性を用いる（西川清、大野広祥、唐新華、金森丈郎、直野博之、「広帯域ビーム形成用２次元ＦＩＲファンフィルタの２次元フーリエ級数近似による設計法」、電子通信学会論文誌、ｖｏｌ．Ｊ８３−Ａ、Ｎｏ．１２、ｐｐ．１３５７−１３６７、２０００年１２月）。
図３（ａ）は、規格化された時間周波数ｆ1^と規格化された空間周波数ｆ2^による２次元周波数平面での目標振幅特性を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）中にＡ-Ａ線で示した部分の音圧レベルを示すグラフである。また、図中において、φＳ＋およびφＳ−は音響ビームのビーム端角度を、φＣ＋およびφＣ−は音響ビームの音圧レベルが半分となる半値遮断角度を、φＰ＋およびφＰ−は音響ビームの音圧レベルがφ＝φ０と同じレベルである範囲の両端の角度をそれぞれ示している。なお、φ０＝０の場合は、φＳ＋＝φＳ、φＳ−＝−φＳ、φＣ＋＝φＣ、φＣ−＝−φＣ、φＰ＋＝φＰ、φＰ−＝−φＰとおく。
末端スピーカ間隔である間隔Ｄ（１）・Ｄ（Ｎ−１）を他のスピーカの間隔Ｄの２倍とする場合、上述した振幅特性および位相特性の設定では、図１において二点鎖線を用いて示したように、末端スピーカ１０（１）・１０（Ｎ）の内側に仮想のスピーカが配置されていると想定して設定すれば良い。
(Amplitude characteristics setting)
The spectrum of the acoustic wave radiated at an angle φ from the speaker array arranged in a straight line at an equal interval D as shown in FIG. 2 is distributed on a straight line represented by the following expression on the two-dimensional frequency plane.
However, wherein f 1 described above represents time frequency, f 2 represents the spatial frequency. If the time sampling interval of the signal is T (seconds) and f 1 and f 2 are normalized by 1 / T and 1 / D, respectively, the above equation is rewritten as the following equation.
As a target amplitude characteristic of the two-dimensional digital filter 4 for forming an acoustic beam having a beam center of φ = φ 0 and a beam spread of φ = φ S + to φ S− , a wedge-shaped transient region as shown in FIG. Characteristics (Kiyoshi Nishikawa, Hiroyoshi Ohno, Xinhua Tang, Takeo Kanamori, Hiroyuki Naono, “Design Method by 2-D Fourier Series Approximation of 2-D FIR Fan Filter for Broadband Beamforming”, IEICE Transactions, vol. J83-A, No. 12, pp. 1357-1367, December 2000).
FIG. 3A is a graph showing target amplitude characteristics on a two-dimensional frequency plane based on the normalized time frequency f 1 ^ and the normalized spatial frequency f 2 ^, and FIG. It is a graph which shows the sound pressure level of the part shown by AA. In the figure, φ S + and φ S− are beam end angles of the acoustic beam, φ C + and φ C− are half-value cutoff angles at which the sound pressure level of the acoustic beam is halved, and φ P + and φ P− are sound pressure level of the acoustic beam indicates an angle at both ends of the range is the same level as phi = phi 0, respectively. If φ 0 = 0, φ S + = φ S , φ S− = −φ S , φ C + = φ C , φ C− = −φ C , φ P + = φ P , φ P− = −φ P.
When the distances D (1) and D (N-1), which are the distances between the end speakers, are set to be twice the distance D between the other speakers, the two-dot chain line in FIG. As shown, the setting may be made on the assumption that virtual speakers are arranged inside the end speakers 10 (1) and 10 (N).
（位相特性の設定）
２次元ディジタルフィルタ４による位相特性の設定について、以下に説明する。２次元ディジタルフィルタ４は、図４に細い実線で示したスピーカアレー１１の中心点０を中心とする音波を示す円の波面を、より小さい同図中に太い実線で示した仮想音源点Ｐを中心とする音波を示す円の波面に変形するものである。なお、細い実線で示した円と太い実線で示した円とは、中心点０と仮想音源点Ｐとを結ぶ直線との交点において接している。具体的には、図４に太い実線で示した仮想音源点Ｐを中心とする波面形状になるように、下記の式で示される伝搬遅延τ（φ）すなわち角度φ方向の伝搬時間差を設定する（西川清、志村智、横山哲哉、宮岸美貴子、「２次元ディジタルフィルタを用いた音像移動と集束ビーム形成」ＡＥＳ東京コンベンション ’９９予稿集、ｐｐ．１６６−１６９、１９９９−０７）。
また、２次元ディジタルフィルタ４の位相特性θ（ω１，ω２）は、τ（φ）と時間角周波数ω１により、下記の式で表される。
また、ビームの広がりを示すビーム端角度φＳ＋、φＳ−は、前記の角度φ０、スピーカアレー１１を構成するスピーカ１０の仮想音源点Ｐから遠い方の一端のスピーカの中心と仮想音源点Ｐとを結ぶ直線、およびスピーカアレー１１の中心点０と仮想音源点Ｐとを結ぶ直線により形成される角度φｅ＋、ならびに、スピーカアレー１１を構成するスピーカ１０の仮想音源点Ｐに近い方の他端のスピーカの中心と仮想音源点Ｐとを結ぶ直線、およびスピーカアレー１１の中心点０と仮想音源点Ｐとを結ぶ直線により形成される角度φｅ−を用いて、下記の式により表される。
φＳ＋＝φ０＋φｅ＋
φＳ−＝φ０−φｅ−
(Phase characteristics setting)
The setting of phase characteristics by the two-dimensional digital filter 4 will be described below. The two-dimensional digital filter 4 has a circular wavefront indicating a sound wave centered at the center point 0 of the speaker array 11 indicated by a thin solid line in FIG. 4 and a virtual sound source point P indicated by a thick solid line in the same figure. It is deformed into a wavefront of a circle indicating a central sound wave. Note that the circle indicated by the thin solid line and the circle indicated by the thick solid line are in contact with each other at the intersection of the straight line connecting the center point 0 and the virtual sound source point P. Specifically, the propagation delay τ (φ) represented by the following equation, that is, the propagation time difference in the angle φ direction is set so as to have a wavefront shape centered on the virtual sound source point P indicated by a thick solid line in FIG. (Kiyoshi Nishikawa, Satoshi Shimura, Tetsuya Yokoyama, Mikiko Miyagishi, “Sound image movement and focused beam formation using a two-dimensional digital filter” AES Tokyo Convention '99 Preliminary Proceedings, pp. 166-169, 1999-07).
Further, the phase characteristic θ (ω 1 , ω 2 ) of the two-dimensional digital filter 4 is expressed by the following equation by τ (φ) and the time angular frequency ω 1 .
The beam end angles φ S + and φ S− indicating the beam spread are the angle φ 0 , the center of the speaker far from the virtual sound source point P of the speaker 10 constituting the speaker array 11, and the virtual sound source point. The angle φ e + formed by a straight line connecting P and the straight line connecting the center point 0 of the speaker array 11 and the virtual sound source point P, and the one closer to the virtual sound source point P of the speaker 10 constituting the speaker array 11 Using an angle φ e− formed by a straight line connecting the center of the other speaker and the virtual sound source point P and a straight line connecting the center point 0 of the speaker array 11 and the virtual sound source point P, Is done.
φ S + = φ 0 + φ e +
φ S− = φ 0 −φ e−
上述したように、スピーカアレーシステム１００では、周波数と方向のパラメータを用いるのではなく、時間周波数と空間周波数とによって表わされる２次元周波数平面での２次元ディジタルフィルタ４を所望の周波数および指向特性に近似して設計する。
焦点位置を遠くに設定する超指向性ビーム形成の場合、低域での位相設定の範囲が狭く、その効果が出にくいことから、低域での位相設定範囲を拡大し、振幅の設定が行われるすべての領域に、すなわちスペクトルの分布する領域だけでなく、スペクトルの分布しない非物理領域にも位相設定することによって、高い指向性を得ることができる。
このような位相設定方法としては、特開２０１０−２８５９１号公報、「超指向性音響ビーム形成法」（西川清、西川元気、電子情報通信学会技術研究報告、ＥＡ２００７−１０１、２００８年１月）などに記載の方法を用いることができる。
As described above, in the speaker array system 100, the two-dimensional digital filter 4 on the two-dimensional frequency plane represented by the time frequency and the spatial frequency is set to the desired frequency and directivity characteristics, instead of using the frequency and direction parameters. Approximate design.
In the case of superdirective beam forming with the focal point set far away, the phase setting range in the low frequency range is narrow and the effect is difficult to achieve, so the phase setting range in the low frequency range is expanded and the amplitude setting is performed. High directivity can be obtained by setting the phase not only in the region where the spectrum is distributed but also in the non-physical region where the spectrum is not distributed.
As such a phase setting method, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-28591, “Super Directional Acoustic Beam Forming Method” (Kiyoshi Nishikawa, Genki Nishikawa, IEICE Technical Report, EA2007-101, January 2008) Etc. can be used.
本発明のスピーカアレーシステムの実施例について、以下、図面を参照しながら説明する。
（実施例）
本発明の実施例として、音源から入力された音響信号を複数のスピーカからなるスピーカアレーによって再生するスピーカアレーシステムであって、隣接する前記スピーカ間のスピーカ間隔のうち、末端スピーカとそれに隣接する末端スピーカ間隔がそれ以外のスピーカ間隔の２倍であり、末端スピーカ間隔以外のスピーカ間隔が等しいスピーカアレーシステムとして、下記の特性を備えたものを設計した。
アレー長（Ｌ）＝４１．６ｃｍ（２．６ｃｍ×１２＋５．２ｃｍ×２）
ユニット数（Ｎ）＝１５、スピーカ間隔＝２．６ｃｍ、末端スピーカ間隔＝５．２ｃｍ
焦点距離（ｒ０）＝４０［ｃｍ］
過渡域幅φｐｓ＝１０度
φ０＝０度、φＳ＝２７．５度、φＣ＝２２．５度、φＰ＝１８．６度
フィルタ次数（Ｍ，Ｎ＋１）＝（６０，１６）
サンプリング周波数ｆｓ＝４５［ｋＨｚ］
帯域上端周波数ｆＨ＝８９４９［Ｈｚ］
帯域下端周波数ｆＬ＝ １１１７［Ｈｚ］
焦点先鋭度ｓｈｐ＝３２．２、ピーク値ｐｈ＝２．４４
（比較例）
また、比較例として、実施例と同じスピーカを用いて、スピーカアレーを構成する隣接するスピーカ間の間隔が全て等しいスピーカアレーシステムであって、スピーカアレー長、ユニット数、焦点距離および過渡域幅において実施例と等しい特性を備えたものを設計した（図１１参照）。
アレー長（Ｌ）＝４１．５８ｃｍ
ユニット数（Ｎ）＝１５、間隔Ｄ＝２．９７ｃｍ
焦点距離（ｒ０）＝４０［ｃｍ］
過渡域幅φｐｓ＝１０度
φ０＝０度、φＳ＝２７．５度、φＣ＝２２．５度、φＰ＝１８．７度
フィルタ次数（Ｍ，Ｎ−１）＝（６０，１４）
サンプリング周波数ｆｓ＝４５［ｋＨｚ］
帯域上端周波数ｆＨ＝７８３４［Ｈｚ］
帯域下端周波数ｆＬ＝ １１０９［Ｈｚ］
焦点先鋭度ｓｈｐ＝３１．３、ピーク値ｐｈ＝２．３９
Embodiments of the speaker array system of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(Example)
As an embodiment of the present invention, there is provided a speaker array system for reproducing an acoustic signal input from a sound source by a speaker array including a plurality of speakers, and among the speaker intervals between the adjacent speakers, a terminal speaker and a terminal adjacent thereto A speaker array system having the following characteristics was designed as a speaker array system in which the speaker interval is twice that of the other speaker intervals and the speaker intervals other than the end speaker interval are equal.
Array length (L) = 41.6 cm (2.6 cm × 12 + 5.2 cm × 2)
Number of units (N) = 15, speaker spacing = 2.6 cm, end speaker spacing = 5.2 cm
Focal length (r 0 ) = 40 [cm]
Transient band width φps = 10 degrees φ 0 = 0 degree, φ S = 27.5 degrees, φ C = 22.5 degrees, φ P = 18.6 degrees Filter order (M, N + 1) = (60, 16)
Sampling frequency fs = 45 [kHz]
Band upper limit frequency fH = 8949 [Hz]
Band lower limit frequency fL = 1117 [Hz]
Focus sharpness shp = 32.2, peak value ph = 2.44
(Comparative example)
Also, as a comparative example, a speaker array system using the same speakers as in the embodiment and having the same spacing between adjacent speakers constituting the speaker array, the speaker array length, the number of units, the focal length, and the transient bandwidth A device having the same characteristics as the example was designed (see FIG. 11).
Array length (L) = 41.58 cm
Number of units (N) = 15, spacing D = 2.97 cm
Focal length (r 0 ) = 40 [cm]
Transient band width φps = 10 degrees φ 0 = 0 degrees, φ S = 27.5 degrees, φ C = 22.5 degrees, φ P = 18.7 degrees Filter order (M, N−1) = (60, 14 )
Sampling frequency fs = 45 [kHz]
Band top frequency fH = 7834 [Hz]
Band lower limit frequency fL = 1109 [Hz]
Focus sharpness shp = 31.3, peak value ph = 2.39
上記の実施例および比較例のスピーカシステムについて、その周波数特性および指向特性を評価した。
（周波数特性）
図５は本発明の実施例のスピーカアレーシステムの周波数特性を示すグラフであり、図６は比較例のスピーカアレーシステムの周波数特性を示すグラフである。両グラフの比較により（１）実施例のスピーカアレーシステムの帯域上端周波数が比較例のそれよりも高くなっていること、（２）実施例のスピーカアレーシステムの４ｋＨｚ以下の低音域における指向特性が向上していることが分かる。
すなわち、（１）実施例のスピーカアレーシステムの帯域上端周波数（ｆＨ）は、８９４９ｋＨｚであり、比較例の７８３４ｋＨｚよりも高くなっている。これは、末端スピーカ間隔を他の間隔の２倍とすることにより、他のスピーカ間の間隔を小さくすることができることによるものである。
また、（２）図５と図６の比較により、実施例の結果を示すグラフのほうが比較例の結果を示すグラフよりも、φ＝４０度（ｄｅｇ）、φ＝７０度（ｄｅｇ）およびφ＝９０度（ｄｅｇ）のビーム域外において、振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）が１．５ｋＨｚから３．５ｋＨｚの間で小さくなっていることが分かる。このように、実施例のスピーカアレーシステムでは、特に人の聴覚に対する影響の大きい４ｋＨｚ以下の低音域における指向特性が向上している。
About the speaker system of said Example and a comparative example, the frequency characteristic and directivity were evaluated.
(Frequency characteristic)
FIG. 5 is a graph showing the frequency characteristics of the speaker array system of the embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a graph showing the frequency characteristics of the speaker array system of the comparative example. Comparison of both graphs shows that (1) the upper end frequency of the band of the speaker array system of the example is higher than that of the comparative example, and (2) the directional characteristics in the low frequency range of 4 kHz or less of the speaker array system of the example. It can be seen that it has improved.
That is, (1) The upper band frequency (fH) of the speaker array system of the example is 8949 kHz, which is higher than 7834 kHz of the comparative example. This is because the interval between the other speakers can be reduced by setting the end speaker interval to twice the other interval.
(2) From the comparison between FIG. 5 and FIG. 6, φ = 40 degrees (deg), φ = 70 degrees (deg), and φ are greater in the graph showing the results of the example than in the graph showing the results of the comparative example. It can be seen that outside the beam region of 90 degrees (deg), the amplitude is small between 1.5 kHz and 3.5 kHz. As described above, in the speaker array system of the embodiment, the directivity characteristics in the low frequency range of 4 kHz or less, which has a great influence on human hearing, are improved.
（指向特性）
図７は本発明の実施例のスピーカアレーシステムの焦点位置における指向特性を示すグラフであり、図８は比較例のスピーカアレーシステムの焦点位置における指向特性を示すグラフである。両グラフでは、いずれも主ビームは周波数に比例してピークレベルが高く、かつ、ビーム幅が狭くなる傾向を示すが、これは音響の焦点としての特徴を示す。両グラフの主ビーム以外の領域を比較すると、実施例のスピーカアレーシステムの４ｋＨｚ以下の低音域では、比較例よりも音の指向特性が向上していることが分かる。
さらに、ｆ＝１．５ｋＨｚ、ｆ＝２．５ｋＨｚ、ｆ＝３．５ｋＨｚの指向特性を比較すると、図７に示した実施例のスピーカアレーシステムでは音のレベルが−２０ｄＢを下まわっているのに対し、図８に示した比較例のスピーカアレーシステムでは音のレベルが−２０ｄＢを超えているところがある。すなわち、実施例のスピーカアレーシステムの４ｋＨｚ以下の低音域では、音響ビームの主ビーム以外の領域のレベル低下が大きくなっているため、音の指向特性が良いことが分かる。
(Directional characteristics)
FIG. 7 is a graph showing the directivity characteristics at the focal position of the speaker array system of the embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a graph showing the directivity characteristics at the focal position of the speaker array system of the comparative example. In both graphs, the main beam tends to have a high peak level in proportion to the frequency and the beam width tends to be narrow, and this shows a feature as an acoustic focus. Comparing the regions other than the main beam in both graphs, it can be seen that the sound directivity characteristics are improved in the low sound region of 4 kHz or less of the speaker array system of the embodiment as compared with the comparative example.
Further, when comparing the directivity characteristics at f = 1.5 kHz, f = 2.5 kHz, and f = 3.5 kHz, the sound level is lower than −20 dB in the speaker array system of the embodiment shown in FIG. On the other hand, in the speaker array system of the comparative example shown in FIG. 8, there is a place where the sound level exceeds −20 dB. That is, in the low sound range of 4 kHz or less of the speaker array system of the example, the level decrease in the region other than the main beam of the acoustic beam is large, and it can be seen that the sound directivity is good.
以上のように、隣接する前記スピーカ間のスピーカ間隔のうち、末端スピーカとそれに隣接する末端スピーカ間隔がそれ以外のスピーカ間隔よりも大きく、末端スピーカ間隔以外のスピーカ間隔が等しい構成、より具体的には、等間隔配置のユニット数（Ｎ＋２）のスピーカアレーの両端のそれぞれ１つ内側のユニットを外したユニット数Ｎのスピーカアレーとそれに接続される構成の実施例のスピーカアレーシステム（図１参照）により、等間隔配置のＮ個のスピーカアレーよりなる比較例のスピーカアレーシステム（図１１参照）よりも音域が広く、主ビーム域外で音のレベルの低下した集束形あるいは超指向性の音響ビームを形成することができる。
上記の結果が得られた理由として、実施例のスピーカアレーシステムは、１７個のスピーカを等間隔に配置したものから、２つのスピーカを取り除いた１５個のスピーカの構成であるものの、２つのスピーカを取り除く前の次数Ｎ２＝１６の性能を保持していることが一因として考えられる。
As described above, among the speaker intervals between the adjacent speakers, the configuration in which the end speaker and the adjacent end speaker interval are larger than the other speaker intervals, and the speaker intervals other than the end speaker interval are equal, more specifically, Is a speaker array system of an embodiment having a configuration in which the number of units N is removed from each of the both ends of an equally spaced unit number (N + 2) speaker unit, and the number N of the speaker arrays is connected to the speaker array system (see FIG. 1). Therefore, a focused or super-directive acoustic beam having a wider sound range than the speaker array system of the comparative example (see FIG. 11) consisting of N speaker arrays arranged at equal intervals and having a reduced sound level outside the main beam range. Can be formed.
The reason why the above results were obtained is that the speaker array system of the embodiment has a configuration of 15 speakers in which two speakers are removed from 17 speakers arranged at equal intervals. One possible reason is that the performance of the order N 2 = 16 before removing is maintained.
図１に示したように、実施例のスピーカアレーシステムを構成するスピーカアレー１１は、Ｎ個のスピーカ１０が直線状に配列されてなるものである。そして、スピーカ１０（１）〜（Ｎ）のうち隣接するスピーカ１０間の間隔Ｄ（１）〜Ｄ（Ｎ−１）は、末端スピーカ１０（１）・１０（Ｎ）とそれに隣接するスピーカ１０（２）・１０（Ｎ−１）との間隔、すなわち末端スピーカ間隔である間隔Ｄ（１）とＤ（Ｎ−１）とが等しく、その他のスピーカの間隔である間隔Ｄ（２）〜Ｄ（Ｎ−２）が等しいものとして構成されている。そして、間隔Ｄ（１）・間隔Ｄ（Ｎ−１）が、間隔Ｄ（２）〜Ｄ（Ｎ−２）よりも大きくなるように配置されている。 As shown in FIG. 1, a speaker array 11 constituting the speaker array system of the embodiment is configured by N speakers 10 arranged in a straight line. The distances D (1) to D (N-1) between the adjacent speakers 10 among the speakers 10 (1) to (N) are the end speakers 10 (1) and 10 (N) and the speakers 10 adjacent thereto. (2) · 10 (N-1), that is, the distances D (1) and D (N-1), which are the distances between the end speakers, are equal and the distances D (2) to D, which are the distances between the other speakers. (N-2) are configured to be equal. The intervals D (1) and D (N-1) are arranged to be larger than the intervals D (2) to D (N-2).
また、実施例のスピーカアレーシステムを構成するスピーカアレー１１は、一旦、Ｎ＋２個のスピーカ１０を等間隔に配置してスピーカアレー１１を構成し、図１において二点鎖線を用いて示した両端から２個目のスピーカを取り除いた状態に相当する配置とされている。より具体的には、末端スピーカ間隔である間隔Ｄ（１）および間隔Ｄ（Ｎ−１）が５．２ｃｍであって、他の間隔Ｄ（２）〜Ｄ（Ｎ−２）の２．６ｃｍの２倍の長さとなるように配置されている。 In addition, the speaker array 11 constituting the speaker array system of the embodiment is configured by temporarily arranging N + 2 speakers 10 at equal intervals to form the speaker array 11 from both ends shown by the two-dot chain line in FIG. The arrangement corresponds to a state in which the second speaker is removed. More specifically, the distance D (1) and the distance D (N-1), which are the distances between the end speakers, are 5.2 cm, and 2.6 cm between the other distances D (2) to D (N-2). It is arrange | positioned so that it may become twice the length.
以上のように、間隔Ｄ（１）および間隔Ｄ（Ｎ−１）が、他のスピーカ１０の間隔Ｄ（２）〜Ｄ（Ｎ−２）よりも大きくなるようにスピーカ１０を配置することにより、図５〜８に示したとおり、スピーカアレーシステム１００の帯域上端周波数および人の聴覚に大きく影響する４ｋＨｚ以下の低音域における周波数特性及び指向特性を向上させることができる。 As described above, by disposing the speaker 10 such that the interval D (1) and the interval D (N-1) are larger than the intervals D (2) to D (N-2) of the other speakers 10. As shown in FIGS. 5 to 8, it is possible to improve the frequency characteristics and directivity characteristics in the low frequency range of 4 kHz or less, which greatly affects the upper band frequency of the speaker array system 100 and human hearing.
以下、実施例のスピーカアレーシステムが、比較例との比較において、帯域上端周波数が高く指向特性の良好なものとなった理由について考察する。
図９は、アレー長Ｌの等しいスピーカアレーを示しており、（ａ）は末端スピーカ間隔がその他のスピーカ間隔の２倍となるように配置された７個のスピーカ１０により構成されたスピーカアレー１３、（ｂ）は全てのスピーカ間隔が等しくなるように配置された７個のスピーカ１０により構成されたスピーカアレー１２ｂ、（ｃ）は全てのスピーカ間隔が等しくなるように配置された５個のスピーカ１０により構成されたスピーカアレー１２ｃを示している。
図９（ａ）に示すように、スピーカアレー１３を構成するスピーカ１０（２）〜１０（６）のスピーカ間隔Ｓは、同図（ｂ）に示すスピーカアレー１２ｂを構成するスピーカ１０（１）〜１０（７）のスピーカ間隔Ｓ’よりも狭くなる。指向特性が同じスピーカアレーシステムの場合、スピーカ間隔と帯域上端周波数の間には互いに反比例の関係があることから、これにより、図９（ａ）のスピーカアレーシステムの帯域上端周波数を高くすることができる。
Hereinafter, the reason why the speaker array system of the embodiment has a high band upper end frequency and good directivity characteristics in comparison with the comparative example will be considered.
FIG. 9 shows a speaker array having the same array length L. FIG. 9A shows a speaker array 13 composed of seven speakers 10 arranged so that the distance between the end speakers is twice that of the other speakers. (B) is a speaker array 12b composed of seven speakers 10 arranged so that all speaker intervals are equal, and (c) is five speakers arranged so that all speaker intervals are equal. The speaker array 12c comprised by 10 is shown.
As shown in FIG. 9A, the speaker spacing S of the speakers 10 (2) to 10 (6) constituting the speaker array 13 is equal to the speaker 10 (1) constituting the speaker array 12b shown in FIG. 10 (7), which is narrower than the speaker interval S ′. In the case of a speaker array system having the same directional characteristics, there is an inversely proportional relationship between the speaker interval and the band upper end frequency, so that the band upper end frequency of the speaker array system of FIG. it can.
スピーカ１０が等間隔に配置された、図９（ｂ）に示すスピーカアレー１２ｂと、同図（ｃ）に示すスピーカアレー１２ｃは、アレー長Ｌが等しいことから、低音域ではほぼ同じ指向特性を示すことができる。また、図９（ａ）のスピーカアレー１３は、図９（ｃ）のスピーカアレー１２ｃのスピーカ１０（２）とスピーカ１０（３）、スピーカ１０（３）とスピーカ１０（４）の中間にそれぞれスピーカ１０を配置した構成と一致する。したがって、低音域での指向特性は、スピーカアレー１２ｃ、したがってスピーカアレー１２ｂの指向特性に比べて、加わったスピーカ１０の分だけ向上したと考えられる。
なお、スピーカアレー１３の中心のスピーカから両側に間隔２Ｓでスピーカ１０を配置した場合に、スピーカアレー１３の両端にスピーカ１０を位置させるには、図９（ａ）に示したものから、スピーカ１０の数を４個ずつ増やす必要がある。したがって、スピーカ１０の数は４ｎ−１（ｎは２以上の整数）であることが好ましいといえる。
The speaker array 12b shown in FIG. 9 (b) and the speaker array 12c shown in FIG. 9 (c) where the speakers 10 are arranged at equal intervals have the same array length L. Can show. Further, the speaker array 13 in FIG. 9 (a) is located between the speakers 10 (2) and 10 (3) and the speakers 10 (3) and 10 (4) of the speaker array 12c in FIG. 9 (c). This is the same as the configuration in which the speaker 10 is arranged. Therefore, it is considered that the directivity characteristic in the low sound range is improved by the amount of the added speaker 10 as compared with the directivity characteristic of the speaker array 12c, and thus the speaker array 12b.
In the case where the speakers 10 are arranged at intervals of 2S from the center speaker of the speaker array 13 in order to position the speakers 10 at both ends of the speaker array 13, the speaker 10 is shown in FIG. Needs to be increased by 4 each. Therefore, it can be said that the number of speakers 10 is preferably 4n-1 (n is an integer of 2 or more).
図５に示した実施例の周波数特性は、２ｋＨｚ以下の下部低音領域では指向特性が十分に形成されないので、振幅の低下した特性となるが、末端のスピーカ１０（１）・１０（７）を下部低音域のみ音量を高めた構成とすることにより、スピーカアレー１３の上部低音域と高音域の指向性に影響を与えることなく、低音の付与された指向性の高い音とすることができ、特に、この低音にステレオ音源を用いると、より効果的な音にできる。 The frequency characteristic of the embodiment shown in FIG. 5 is a characteristic in which the directivity is not sufficiently formed in the lower bass region of 2 kHz or less, and thus the amplitude is reduced. However, the end speakers 10 (1) and 10 (7) By adopting a configuration in which the volume is increased only in the lower bass region, it is possible to obtain a sound having a high directivity to which a bass is given without affecting the directivity of the upper bass region and the high tone region of the speaker array 13. In particular, if a stereo sound source is used for this low tone, a more effective sound can be obtained.
本発明は、複数のスピーカを配列したスピーカアレーによって、特定の方向に高い指向特性で音波を放射させることができるスピーカアレーシステムに利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in a speaker array system that can emit sound waves with high directivity in a specific direction by a speaker array in which a plurality of speakers are arranged.
４ ２次元ディジタルフィルタ
１０ スピーカ
１０（１）、１０（Ｎ） 末端スピーカ
Ｄ 間隔（スピーカ間隔）
Ｄ（１）、Ｄ（Ｎ−１） 間隔（末端スピーカ間隔）
１１、１３ スピーカアレー
２０ １次元ディジタルフィルタ
１００ スピーカアレーシステム
4 Two-dimensional digital filter 10 Speaker 10 (1), 10 (N) Terminal speaker D interval (speaker interval)
D (1), D (N-1) interval (terminal speaker interval)
11, 13 Speaker array 20 One-dimensional digital filter 100 Speaker array system
Claims (3)
隣接する前記スピーカ間のスピーカ間隔のうち、末端スピーカとそれに隣接するスピーカ間の末端スピーカ間隔がそれ以外のスピーカ間隔よりも大きく、末端スピーカ間隔以外のスピーカ間隔が等しいことを特徴とするスピーカアレーシステム。 A speaker array system for reproducing an acoustic signal input from a sound source by a speaker array including a plurality of speakers,
The speaker array system characterized in that, among the speaker intervals between the adjacent speakers, the end speaker interval between the end speaker and the adjacent speaker is larger than the other speaker intervals, and the speaker intervals other than the end speaker interval are equal. .
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